0 引言

UUV（水下无人潜航器）在作战使用中会受到诸多海洋环境要素的影响，其性能与海洋环境要素的基本特性和分布规律密切相关。因此，UUV在水下执行任务时，应该加大对它的海洋环境保障力度，以便充分发挥其效能和功用^[1-3]。

影响UUV及其装载的武器、探测设备整体技战术性能的海洋气象、海洋水文和海洋地质等方面的自然条件有：UUV的稳定性和操纵性会受到海流、海况和内波的影响；所装载武器的作战效能会受到强流、海况和声场环境的影响；声呐探测效能发挥会受到温跃层、声跃层、内波和中尺度漩涡的严重制约^[4]。对海洋环境总的利用原则是“趋利避害”，即对有利的海洋环境多进行利用，而对不利的海洋环境应尽量避开。

1 海流对UUV的影响

海流影响到UUV在水下的航速、航向与机动性能，进而影响到航行安全。当UUV航行方向与海流方向一致时，航速增加，可节省时间和燃料；相反，顶流航行时航速会降低，燃料消耗增大，时间延长。当UUV航向与流向成一定角度时，在较大横流作用下，可使其偏离预定航向，特别是在狭窄航道航行或者通过障碍物时，可能会发生航行碰撞，出现航海事故。

1.1 数学模型及计算

受海流影响后的UUV实际航速航向如图 1所示，假定UUV在某点O的计划航向为0°，计划航速V_UUV，海域流速为V_流，流向为α（α即流向与UUV计划航向之间的夹角，取流向从UUV左舷流向右舷，0°≤α≤180°，流向从右舷流向左舷时与此对称），UUV受海流影响后的实际流速为V_相对，实际航向与计划航向之间的夹角为β，根据矢量合成原理，可得：

$ {V_\text{相对}} = \sqrt {V_{\rm UUV}^2 + V_\text{流}^2 + 2{V_{\rm UUV}}{V_\text{流}}\cos a}\, \text{，} $

(1)

$ \beta = \arcsin (\frac{{{V_\text{流}}}}{{{V_\text{相对}}}}\sin a) \, \text{。} $

(2)

式中β为海流造成的UUV航向误差。

取UUV计划航速4 kn和6 kn，计划航向0°，海流速度1 kn，2 kn，3 kn，流向与UUV航向夹角在0~180°之间间隔15°取值，计算得到的UUV实际航速值、航向误差值分别如表 1和表 2所示。

1.2 计算结果分析 1.2.1 海流对UUV航速影响分析

从表 1可看出，UUV速度和流速值确定时，UUV实际航速随流向与UUV航向夹角值α增大而减小。UUV速度6 kn，流速1 kn，2 kn，3 kn时UUV实际航速随夹角值α的变化情况如图 2所示。

由图 2可知，UUV速度确定时，流速越大，UUV实际航速值随流向变化越剧烈，即UUV航速误差越大；UUV速度和流速确定时，顺流和逆流对航速大小影响最大，而横向流影响相对较小，从图中可以看出，横向流并非流向与UUV计划航向夹角成90°的海流，而是略大于90°，根据式（1），当航速误差为0时，可得：

$ \alpha = 180-\arccos (V{}_\text{流}/2{V_{\rm UUV}}) \text{。} $

(3)

即流向满足式（3）时航速误差最小，因此横向流应为流向与UUV航向夹角满足式（3）的流。取UUV速度6 kn，流速0~3 kn，计算航速误差最小的流向如图 3所示，在90°~105°之间。

1.2.2 海流对UUV航向影响分析

从表 2可看出，UUV速度、流向确定时，其航向误差随流速增大而增大（顺流、逆流除外），取UUV速度6 kn，流向30°，90°，150°时，航向误差随流速变化情况如图 4所示。

取UUV速度6 kn，流速1 kn，2 kn，3 kn，航向误差随航向夹角α变化情况如图 5所示。

由图 5可知，UUV速度、流速确定时，UUV的航向误差随流向与UUV航向夹角增大出现先增大再变小趋势，流速越大，航向误差越大，相同流速条件下，接近顺流或逆流时航向误差越小，横向流造成的航向误差较大。

2 海况对UUV的影响

海况是指风力作用下海面的外貌特征，描述海况等级主要依据为海浪的大小。海浪主要对处于水面或近水面状态航行的UUV的航行安全产生影响，主要有以下几个方面：

1）UUV顶浪航行时的影响

当UUV顶浪航行时，海浪会增加航行阻力、降低航速；巨浪的冲击会造成拍底、螺旋桨打空车而损坏UUV壳体、设备、舵和螺旋桨。同时，由于UUV与海浪的相对运动，使两者的相遇周期缩短，从而加剧了UUV的摇摆。

2）UUV顺浪航行时的影响

当风浪不大时，UUV顺浪航行可以达到省时省力的效果。若航速小于波速，UUV又处于波谷之中，则波浪会冲击UUV尾部，使推进器和尾轴遭到损害；若航速和波速基本相当时，UUV位于波浪前部斜面或波谷时易发生偏转，使艇体横对风浪，造成艇体倾斜，对航行安全极为不利。

3）UUV航向与波浪方向相垂直时的影响

UUV航行方向与波浪传播方向垂直时将产生横摇，大浪不断地拍打冲击，会加剧艇体的倾斜，容易丧失横稳性，对航行安全造成严重危害。

UUV在水下航行一定的距离后需要上浮到近水面进行定位，此时UUV抗击风浪的能力较差，因此建议采取在航行中进行导航定位，同时提高导航定位效率，降低导航定位时间。

除影响航行安全外，海况还对UUV声呐的探测效能产生影响。当海浪大时，海面粗糙程度就大，易形成海面混响，影响水中UUV声呐的探测效能。

3 内波对UUV的影响

海洋内波的存在使海洋内部产生大振幅垂向波动，当UUV穿越内波影响区域时，其运动稳定性或运动姿态会发生变化，从而改变其运动轨迹，UUV的安全性会受到影响^[5]。停坐在跃层上的UUV，在随跃层处海洋内波做大幅度的上下波动时，当UUV的艇长尺度远小于内波的波长时，UUV随着内潮波波浪起伏，一般比较平稳，如图 6(a)所示；当UUV的艇长尺度远大于内波的波长时，内波只能使UUV产生幅度较小的上下颠簸，如图 6(b)所示；而当UUV的艇长尺度与内波的波长大小相当时，UUV随内孤立波的颠簸就比较大，如图 6(c)所示，此时深度和纵倾变化剧烈，如果UUV潜深较浅（接近水面）或者潜深较深（接近海底），容易发生事故。在选取UUV航线时，必须利用内波分布特征背景知识，避开海洋内波多发的区域。

4 声场特征对UUV的影响

声速是一个非常重要的海洋环境要素，它决定着声波的传播路线，通常把声波在海洋环境下所呈现的普遍和异常变化特征称之为“水声环境效应”。声波在垂直域可呈现出不同的声速剖面结构^[6]，对UUV会产生不同的影响。

声波以“向海面偏转”和“声道传播”模式传播时，通过反复的折射和反射，声波被束缚在声道和近海面区域，形成声道效应和海面波导效应，在这些声线会聚区UUV可进行长距离声呐探测，而声线会聚区以外为声影区，处于该区域的UUV可避免被主动声呐探测。

负声速梯度易在海表附近形成声盲区，有助于UUV避开声呐侦察进行潜航和声隐蔽。

利用深海水下声道产生的会聚区效应，可将声呐作用距离扩大至几个会聚区距离上，UUV声呐可以利用声传播过程中形成的会聚区，增大声呐的探测距离，做到远距离先敌发现。

指挥员应确定作战海区声场特征，根据UUV所遂行的任务，确定其航行深度，此深度应当有利于保证UUV最大的隐蔽性或发挥UUV的最佳观察效能，而不利于敌方的搜索与跟踪。

5 密度跃层对UUV的影响

密度跃层有正密度跃层和负密度跃层2种，如图 7所示。正密度跃层是指随深度增加密度逐渐变大，对水下航行比较有利。UUV在这种海域中执行任务时，便于UUV的操纵，这种跃层又称为“液体海底”；负密度跃层是指随深度增加密度逐渐降低，这种跃层极不稳定，一旦受到干扰，上层密度大的海水就会下沉，使UUV操纵性能变差，造成失控的结果，这种跃层也称为“海底断崖”。

6 结语

海流、海况等海洋环境要素对UUV航行安全和作战效能有着重要的影响。UUV在作战使用中面临的战场海洋环境是无法控制和改变的，但是可以通过周密的作战计划制定和完善的海洋环境保障建设而趋其利避其害，最大限度发挥装备的战斗力。因此，对UUV的海洋环境保障建设必须高度重视，超前准备。